华北某煤田排水方案设计研究

[摘要]对矿区水文地质条件进行充分的调查、分析、评价是矿产安全开采的前提条件，也是最根本的任务。为了安全有效地对华北某煤田进行开采，特对该区的水文地质条件及矿坑充水条件进行了全面的分析，评价矿区煤层开采时顶、底板的稳定性，初步预测二矿矿坑涌水量，提供可靠的开采建议。

[关键字]矿区 水文地质条件 矿坑充水条件 涌水量

[中图分类号] TD741 [文献码] B [文章编号] 1000-405X（2013）-5-260-3

1矿区概况

1.1矿区自然地理条件

1.1.1气象水文

该区域为典型的北方季风气候，降水与蒸发季节性明显。最大降雨量为205mm，最小降雨量为5mm，年降雨量为775mm。蒸发强度受气温和降雨量的影响，5月份蒸发量达到最大值250mm，随后蒸发量受降雨的影响，逐渐降低，年蒸发量为1015mm。

在矿区中部区域发育一条洺河，据水文站观测数据可知，在丰水季节，洺河流量达到85000m3/d，在枯水季节流量较小。洺河全年流量变化较大，受降水影响明显。

1.1.2地形地貌

矿区地形为丘陵，地势总体呈北高南低，东西两侧高，中间略低的趋势。北部、西部海拔高约500米，东部海拔约400米，中间及南部海拔约310米，呈南侧开口的“平底槽”状。

1.2区域地质构造条件

1.2.1地层岩性

该矿区发育的地层有前震旦系Al片岩和片麻岩；震旦系Z石英砂岩；寒武系ε灰岩，有页岩夹层；奥陶系O结晶灰岩和白云岩；石炭系C中石炭统为页岩及铝土；上石炭统为砂页岩，厚203米，发育两层3～5米厚的可开采煤层，Ⅱ号煤层顶板为5～8米厚的灰岩；二叠系P砂页岩，厚250米夹有6米可开采煤层Ⅲ；白垩系K凝灰砂页岩；第四系Q4砂砾互层。

1.2.2构造

矿区发育四条断层，均为正断层。地壳也发生过多次抬升构造运动，造成地层的缺失。该区断层整体呈现两个主要发育方向，近乎正交。F2、F3、F4三条断裂带发育方向一致，呈NW-SE走向。通过各断层之间的切割关系可知各断层形成的期次不同，F1最先形成，后来形成F2、F3断层，最后形成F4断层。

1.3水文地质条件

1.3.1地层含水性

奥陶系灰岩承压型岩溶水含水层和第四系砂砾层潜水含水层为主要含水层；前震旦系片麻岩、震旦系石英砂岩、石炭系页岩及砂页岩、二叠系砂页岩为弱含水层；白垩系凝灰砂页岩为隔水层。

1.3.2地表水与地下水的水力联系

洺河西部支流和东北部支流途经岩溶发育灰岩区，河水出现大量漏失现象。东部前震旦系地层有大量泉水出露点，直接补给洺河。洺河干路流经的地区主要为石炭系、二叠系的砂页岩地层，为地表水补给地下水，但补给强度较低。

1.3.3地下水之间的水力联系及断层导水性

该区地层相对平缓，整体倾向为ES向，倾角为8～10度，各含水层之间垂向交替作用较弱，地下水主要沿着各地层层面流动。

分析图1，由I-I’剖面图可知，F1断层为阻水断层，地下水无法沿垂向通过此断层，同时，横向上地下之间无明显水力联系，并有泉出露。F2、F3断层完全切断石炭系，二叠系，白垩系地层，切割部分奥陶系地层，这两个断层纵向不导水，而横向导水，为此在F2、F3断裂带处无泉水的出露，地下含水层中的水仍然沿着含水层位向下游流动，不影响地下水的横向流动。由于奥陶系灰岩为强含水层，地下水标高较高，水压力大，在开采煤层时要防止出现沿断层突破阻水岩石，而形成导水途径。F4断层为一纵向导水，横向不导水的断层，致使地下水在F4断裂处有大流量泉群出露，控制着地下水的运动。

1.3.4地下水的补给、径流和排泄

该区地下水主要接受大气降水和洺河地表水补给，季节性降雨量和蒸发量的变化对地下水的补给影响较大。地下水主要沿各层位流动，越流补给作用较弱，主要流向为ES-S向。其中灰岩地层地下径流强度较大，其它各含水层流动性较差。地下水主要以泉的形式排泄。

2矿坑充水条件

当今煤田开采安全事故多为突水事故，为此研究矿坑开采的安全性，首先要明确矿坑的充水条件，充分调查矿坑的充水水源和充水途径，在此基础上进行煤层安全开采的设计。

2.1含水层对Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ号煤层的充水意义

2.1.1Ⅰ号煤层

Ⅰ号煤层分布在上石炭统C3砂页岩地层，厚3～5米，中石炭统C2砂页岩为Ⅰ号煤层的直接底板，厚度为35～40米，煤层的顶板为地层为上石炭统C3砂页岩地层。对Ⅰ号煤层威胁最大的是底板稳定性的问题，奥陶系的承压水对Ⅰ号煤层底板具有很大的压力，开采条件不当很可能出现底板突破而出现突水事故，开采时应该注意采取适当的疏干降水，减小水压力，保证底板的稳定性。

2.1.2Ⅱ号煤层

Ⅱ号煤层也分布在上石炭统C3砂页岩地层，厚3～5米，其最直接的水害威胁是顶板。Ⅱ号煤层的直接顶板为一层5～8米厚的奥陶系灰岩，为一强含水地层。在开采Ⅱ号煤层时很容易出现突水，5～8米厚的奥陶系灰岩成为Ⅱ号煤层的直接充水水源。

2.1.3Ⅲ号煤层

Ⅲ号煤层分布在石炭二叠系砂页岩地层中，厚度为6米。石炭二叠系砂页岩地层为一弱含水层，厚度为250米。Ⅲ号煤层位于前两个煤层的上部，其开采时最大的威胁是在河下开采和遇到断层时。河下开采时地表河水很可能成为充水水源，而断层可能成为充水途径。

2.2断层对矿坑的充水作用

该区的断层均为高角度正断层，F1、F4断层两盘岩性不同，成为该区地下水的东侧和北侧边界，地下水集中在F4断裂带形成泉群排泄。F1保证了前震旦系片岩片麻岩风化裂隙潜水不会成为矿坑的充水水源，而F4断裂带保证了地下水的顺利排泄，减小地下水对矿坑煤层巷道顶、底板的水压作用。F2、F3为垂向阻水，横向导水的断层，至此，保证了地下水水平无阻的流动，垂向上地表水不会沿此途径成为充水水源，涌入开采巷道。但是开采时要保证不破坏断层的天然稳定性，可以设置安全煤柱，防止断层被突破，成为充水途径。

2.3二号矿Ⅰ号煤层底板稳定性评价

依据一矿资料：页岩平均抗拉强度Kp=0.16Mpa，平均安全容重γ=24.5KN/m3，巷道底板隔水层实际厚度t=30m，坑道底宽L=10m，预测二矿Ⅰ号煤层-50m水平开采时，天然水位标高为主320m的底板稳定性（图2）。

根据撕列萨列夫底板稳定性评估公式：γw×H=γR×tp+2×Kp（tp/L）2

γ水的容重N/m3，γR-岩层容重N/m3，tP-隔水底板厚度m，Kp-抗拉强度MPa，L-开采区深度m，H-临界水压值m。

代入数据，可以求得Hmax=361.5m。而实际水头为H=400m，严重超过底板的极限承受压力，因此当煤层开采到-50m水平时，底板是不稳定的。奥陶系灰岩含水层要采取疏干降水措施，最少降水38.5m。

2.4河下采煤条件

已知煤层平均倾角α=10o，开采厚度m=6m，岩石碎胀系数K=1.3，河床第四系厚度为50m，保护层厚度Hc=20m，确定河下采煤的安全开采深度。

因为该煤层的平均倾角α=10o，为缓倾岩层，根据顶板破坏评估经验公式：

H（冒）M/（（K-1）×cosα）， H（导）（2-3）H（冒）

K-岩石的碎胀系数，M-矿层开采厚度m

为安全起见，在此取H（导）=3H（冒），入数据求得：H冒=53.54m，H导=160.61m。

防水柱高度的确定：Hw=HX+HC HX=H（导）×cosα

求得：HⅡ=60m，Hw==80m，则河下采煤的安全开采深度为130m，开采深度至少为130m。

3二号矿坑涌水量的预测

进行矿坑涌水量的预测，将对安全采矿具有实际的指导意义。以下将对二号矿的Ⅰ号煤层和Ⅱ号煤层的矿坑涌水量进行预测。

3.1上石炭统C3薄层灰岩涌水量预测

对上石炭统C3薄层灰岩±0米水平Ⅱ号煤层涌水量初步预测采用水文地质比拟法。已知Ⅱ号煤层坑道系统长2000m，宽1060m。一矿资料：+200m水平开采Ⅱ号煤层时，天然水位标高321m，坑道系统长1500m，宽1000m，开采排水一年时，矿坑涌水量为1200m3/d。

采用水文地质比拟法，假定单位涌水量为常数，

据公式：Q1/（F1×S1）=Q2/（F2×S2）

Q1、Q2、F1、F2、S1、S2分别为一矿二号煤层和二矿Ⅱ号煤层的涌水量m3、开采面积m2、地下水位降深m.

代入数据求得二矿Ⅱ号煤层开采排水一年时，矿坑涌水量为4415m3/d。

3.2预测降压排水量

根据材料所提供的数据，初步预测二矿开采-50m水平Ⅰ号煤层时需要对奥陶纪灰岩地下水降压的排水量。

3.2.1求取参数T、a

根据A1孔抽水CK1观测孔的观测资料，用特定条件直线图解法计算奥陶纪灰岩含水层的参数T、a。（已知Q=920m3/d，r=50m）

根据公式：T=0.183Q/m1 α=0.445r2/（t0）1

据S-lgt曲线图，可得m1=0.224m、t0=6.5min=0.00451d，代入上式求得：T=751.61 m2/d，a=2.46x105m/d。（据A2孔抽水资料算得的参数T=748m2/d，a=2.38x105m/d）两者平均后得奥陶纪灰岩含水层的参数T=749.8m2/d，a=2.42x105m/d。

3.2.2预测排水量及排水时间

对二号矿开采-50m水平Ⅰ号煤层时底板稳定性评估计算值可知，Ⅰ号煤层的灰岩底板最大可以承受3.615MPa的压强，相当于361.5米的水头压力。为了能够安全开采-50m水平一号煤层，我们必须采取疏干降水措施，天然条件下奥陶系灰岩含水层的水头为400米，确保安全开采，那么至少要降水38.5米。鉴于实际开采条件的需要，我们采用直线孔排法进行疏水降压，使奥陶系含水层水位下降，设计目的降深为40米，以达到安全开采的条件。已知坑道长1500m，距F1断层1500m，坑道中心到泉群的距离为6000m。

为F1、F2为隔水断层，因此抽水井可以反映成为如图3所示的实、虚井共同作用。经计算得总降深S与时间t关系图和排水量Q与相应排水时间t的关系图。我们可以参考Q-t曲线图，结合实际设备情况和实际开采需要，选取达到目的降深的疏干排水量Q和排水时间t。由Q-t关系曲线可知达到目的降深40米，排水期为600天时矿坑的涌水量约为30000m3/d。

4结论及建议

通过以上的水文地质条件分析可知，该区水文地质条件复杂，是以溶蚀裂隙为主。Ⅰ号煤层底板直接充水，Ⅱ号煤层顶板直接充水的岩溶充水矿床和Ⅲ号煤层以孔隙为主顶板间接充水矿床。在开采各层煤层时，要针对各自实际条件限制，而出现了突水事故。

（1）河下采煤的安全开采深度为130m，开采深度至少为130m。

（2）开采排水一年时，C3薄层灰岩±0m水平二矿Ⅱ号煤层矿坑涌水量为4415m3/d。

（3）二号矿开采-50m水平Ⅰ号煤层时，Ⅰ号煤层的灰岩底板最大可以承受3.615MPa的压强，相当于361.5米的水头压力。天然条件下奥陶系灰岩含水层的水头为400米，确保安全开采，那么至少要降水38.5米。排水量与时间可以根据排水量Q与排水时间t的关系曲线图进行方案选取，以满足实际需求。考虑到矿坑天然岩体的稳定性，最好不要在短时间内使水位下降过快，可以采用排水量为40000m3/d～50000 m3/d，排水时间为60～160天。